单模光纤的色散效应.doc

论文专家件件精品热点关注：2010年黑龙江省公务员招录考试行政职业能力测验试卷高校本科毕业论文质量低下的原因分析与对策研究2008北大核心中国商贸征稿启事股票选择的模糊综合评判模型青春岁月杂志约稿函商情（经济理论研究）中国明星籍贯大揭秘议论文写作指导单模光纤的色散效应熊宝库，吴之勇（信阳师范学院 物理电子工程学院， 河南 信阳 464000）摘 要: 阐述了光纤色散的概念及分类，介绍了单模光纤中群速度色散及其对信号传输的影响。讨论几种降低单模光纤色散的方法。 关键词: 单模光纤; 色散; 群速度色散引言 光纤通信是以光波作为信息载体，以光纤作为导波介质的一种特殊通信形式。作为通信手段，光通信较电通信具有更悠久的历史。早在3000多年前人们就会利用光来传递信息，但光纤通信的崛起与发展至多不过30多个年头，其理论奠基人为华裔科学家高锟博士。正是他1966年7月在PIEE学报上发表的一篇题为“光频率的介质纤维表面波导”的论文。为人类向信息时代挺进指出了一条光明大道。次后，促使光纤通信发展并成为当今“信息高速公路”的基石的是两个里程碑：一是低损耗单模光纤的研制成功；二是能在室温下工作的半导体激光二极管面世。鉴于光纤所有的巨大带宽（约20THz）,使其载荷和传输信息的能量特别大，足以满足与日俱增的通信需要。因此世界各个主要发达国家都竟相研制和开发适于高速率、大容量、长距离的光纤通讯系统。综观光纤通信的发展，损耗和色散一直是长期阻碍光纤通信发展的主要因素。损耗限制了站间距的增加，而色散则造成脉冲展宽，引起码间干扰。由于单模光纤的损耗主要是由瑞利散射所引起，而瑞利散射光强正比于，因此单模光纤的工作波长从1.3m移向1.55m波段时损耗降到了很低，损耗问题已基本得到解决，本文主要探讨单模光纤的色散问题。1 光纤色散的概念色散是一个很古老的概念，但在光纤光学中起着极其重要的作用。色散是指一束不同频率的光波通过透明光物质（如光纤介质）时被散开的现象。产生这种现象的实质是当一束电磁波与电介质的束缚电子相互作用时，介质响应通常与光波频率有关，这体现在折射率n对频率的依赖关系上，此关系称之为光纤色散特性。因在同一媒质中不同波长的光波传播的波速各不相同，在一定范围内，波长越长的光波，传播速度越快。对于光纤通信系统而言，由于信号在光纤中是由不同的频率成分和模式成分波来携带的，这些不同的频率成分和模式成分波有不同的传播速度，从而引起色散。也可以从波形在时间上展宽的角度来理解，也就是说光脉冲在通过光纤传播期间其波形随时间展宽，这种现象称为光纤的色散。2 光纤色散的分类通常把光纤色散分为模间色散，模内色散和偏振色散。由于单模光纤中只有一种模式传播，所以不存在模间色散。在单模光纤中只有模内色散和偏振色散。2.1 模内色散 模内色散也称颜色色散或多色色散。主要是由于光源有一定带宽,从而使信号在光中有不同的波长成分而引起的，或者说信号的不同频率分量具有不同群速度，结果导致光脉冲展宽。模内色散又可分为材料色散和波导色散。 2.1.1 材料色散材料色散是由于光纤纤芯材料的折射率随模式波形的频率改变而引起，举例子来说，就像在白光通过棱镜而形成七彩光，原因就是棱镜材料对不同波长的光呈现不同的折射率而造成的。所以在单模光纤中传播不同波长或频率的光时，传播速度会不同，这样引起的色散就是材料色散。当材料的折射率n是波长的非线性函数时，使得不同波长的光在纤芯中传播速度随波长而变，就说明传输中存在材料色散。2.1.2 波导色散 波导色散是模式本身的色散，指光纤中某一种波导模式在不同的频率下，相位常数不同,群速度不同而引起的色散。简单的说，波导色散就是同一模式的相位常数随波长变化而引起的色散。它与光纤结构的波导效应有关，因此又称结构色散。如图(1)给出了单模光纤材料色散和波导色散与光波波长的关系曲线。从图中可以看出,在波长为1.27m附近时，材料色散为零，这时波导色散为主要色散，而当波长为1.31m时，材料色散和波导色散相互抵消，总色散为零。在此波段内，光纤的损耗也最小，因此目前人们研制的零色散位移光纤，即是使工作在波长为1.55m的单模光纤，可以获得最低损耗的和最小色散。 2.2 偏振色散通常的轴对称单模光纤是违背其单模名称的。实际上有可能传播的两个模。即在光纤横截面上的两个正交方向(设为x方向与y方向)上偏振的(既在这些方向具有场分量的)模与模。同时由于实际的光纤中必然存在着一些不对称，那么，光纤会存在双折射，就会使这两个模式的传输速度不同，由此引起的色散叫偏振色散。偏振色散是单模光纤中特有的。综上所述，光纤中各种色散的特点可用图(2)表示10-1030材料色散波导色散总色散-30-2002040 -色散系数Dps/(nm.km) 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 波长（m）图(1) 色散种类模式色散模内色散偏振色散材料色散波导色散产生原因即使在同一波长,不同模式的传输速度不同纤芯材料的折射率而变同一模式的相位常随频率（或）而变单模光纤中实际存在两个基模，当存在双折射时，这两个模式的传播速度不同光纤类型多模光纤单模光纤多模光纤单模光纤多模光纤单模光纤备注多模光纤以模式色散为主单模光纤以材料色散为主图（2）3群速度色散（GVD）效应 由于光波不同频率成分有不同的传播速度，因此它们各自有不同的传播常数。光纤色散效应可以通过在中心频率处展开成模式传输常数的泰勒级数来表示。 （1）式中 反映色散效应对光波输运性质的影响，是描述群速度色散（GVD）的参量，它对应脉冲展宽，可正可负，这取决于光波长是大于还是小于光纤的零色散波长；而则为高阶群速度色散。对群速度色散影响主要来自于。对于单模熔石英光纤，当入纤光波波长=1.31m时=0，即色散为零。故称为零色散波长。又由于波导色散与光纤的波导结构有关，利用光纤的波导色散对色散参量的影响，通过改变波导的结构设计，可将零色散波长移到有最低损耗的1.55m波段附近，这种使移位的光纤通常称为零色散位移光纤（DSF）。它达到拉低损耗与低色散的统一。群速度色散参量可表示为： （2）式中D为色散参量，为常数。将 代入（2）可得： （3）可见群速度参量的含义为：在信号脉冲中，每相差单位频率间隔的光波在传播单位距离后所产生的时延差，可以说是光脉冲中不同频率的光波在光纤中传输相同距离后所产生时延差的大小量度。可见，群色散效应的影响在于使不同频率成分的光波以略微不同的速度沿光纤传播。随传输距离的增加，它们彼此间会逐渐拉开距离，对光脉冲造成脉冲展宽。根据色散参量或D的符号，光纤显现出截然不同的特性。当入纤光波长时，介质色散参量D0），光纤表现为正常色散，在正常色散区，折射率n随光载波频率的上升而增大。因此群速度与光载频成反比，这使得光脉冲载频较高的分量（紫移）比较低的频率分量（红移）传输的慢，展宽后的脉冲前沿频率低，后沿频率高；而当时有D0（0），光纤表现为色散特性。此时的情况与上述正好相反。在非线性光纤通讯系统中，如光孤子通讯，就是让光脉冲在反常色散区中传输时，通过非线性效应与群速度色散的共同作用，即利用随光强而变的自相位调制（SPM）效应所引起的波形变窄，来补偿光纤中的群速度色散所导致的传输波形不断展宽。当两种对应因素结合在一起相互平衡时，就有可能形成光孤子。在忽略光纤非线性效应条件下（当入纤光功率P2mW时），光纤中的光场的复振幅U(Z,T)可表示为： (4)该式表明的存在导致各频谱分量具有不同的相位，尽管频谱未受到影响，即频谱宽度不变，但正是由于相位的改变引起脉宽的改变。其改变量取决于频率及传输距离。Z引起了光脉冲的时延差。显然若在零色散波长处（=0即D=0），由于无群速度色散，脉冲宽度保持不变。显然，群速度色散（GVD）的主要作用是对脉冲展宽。4减少单模光纤色散的措施。(1)时延差与相位带宽成正比，采用窄线宽的半导体激光器（DFB）较发光二极管（LED）更有利于减少色散的影响。(2)从减少色散角度来讲，对单模光纤折射面结构的要求，应具有优良的色散特性。在要求的波长范围内具有低色散值和在零色散波长的色散斜率，而且色散控制性好，结构参数容差范围大。(3)对于单模光纤，全色散为零的波长在1.31m，这意味着在这个波长传输的光脉冲不会展宽。它恰好又是光纤低损耗传输窗口。对波长1.31m单模光纤通信非常有利。即可以获得低的传输损耗，又可以得到宽的传输频带。(4)使用色散位移单模光纤。1.55m光纤损耗极低，在以下，即使加熔接损耗，也可以做到以下。比1.31m光纤损耗要低以上。但1.55m单模光纤的色散较大，我们可以有意加大单模光纤的结构色散，使在1.55m处与材料色散正好抵消，总色散为零。这就把1.55m单模光纤的色散变成了零色散。(5)用色散平坦型单模光纤。通过改变光纤内介质的折射率分布，使在（1.311.55）m范围内的色散都较小。但这种单模光纤结构复杂，制作难度大，不易得到低损耗，所以目前还未得到广泛应用。5 结束语综上所述，光纤色散使信号的脉冲展宽，信号传输速度会受到影响。信号的误码率升高。，随着研究的进展，发现自相位调制效应和群速度色散效应可以相互补偿形成光孤子。而利用光孤子通讯可使单模光纤色散的影响降低到一个很低的限度。目前，光孤子通讯已得到广泛应用。随着光纤色散研究的飞快发展，单模光纤的损耗和色散也基本得到解决。相应的单模光纤的应用前景也将更加广阔。参考文献 1 苏 斌, 谢玉珍, 苏 超. 光纤通讯技术及应用M. 武汉: 湖北科学技术出版社,1996 2. 孙圣和, 王廷云, 徐 影. 光纤测量和传感技术M. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 2000 3. 张 熙, 光纤通讯原理M. 上海: 上海交通大学出版社,1985 4. 刘继贤, 浅谈光纤色散J. 中国有线电视与技术交流. 2001(3): 8-14 5. 王 林, 扬恩泽, 马晓红等. 光纤色散J. 物理. 1998(10): 604-609 Dispersive effect of single mode fiber XIONG Bao-ku， WU Zhi-yong (Dept.of Phys.and Elec.Eng.,Xinyang Normal University, Xinyang 464000 China.)Abstract: We discribe the conception and the classification of dispersion in fiber and show